FPGA設(shè)計(jì)中flash讀寫工作原理解析

Flash讀寫控制方案

與Xilinx相比，Intel(Altera)提供了讀寫控制器方案。而且，同時(shí)提供了兩個(gè)方案。

首先，Altera似乎沒有開放配置Flash的Pin的控制。如果沒有找到辦法直接控制這些Pin，也就沒有辦法自行設(shè)計(jì)Flash讀寫控制器。

自行設(shè)計(jì)Flash讀寫控制器的優(yōu)點(diǎn)在于可控性很高，缺點(diǎn)在于需要花費(fèi)時(shí)間設(shè)計(jì)并進(jìn)行穩(wěn)定性測試。相應(yīng)的，使用提供的Flash讀寫控制器IP，優(yōu)點(diǎn)是免去設(shè)計(jì)和測試的成本，但缺點(diǎn)在于兼容性。

由于提供的IP可選項(xiàng)很少，可以使用的操作命令也有限，所以很難保證這個(gè)IP能兼容哪些Flash。即使能兼容，也可能只能使用基礎(chǔ)的操作命令，而部分高級操作比如快速擦寫等，不保證能兼容。

方案一：JTAG燒錄Flash

在專欄文章《FPGA遠(yuǎn)程更新設(shè)計(jì)的需求分析》中，分析了EDA工具通過JTAG燒錄Flash的操作。

1.上位機(jī)主動(dòng)發(fā)起配置，F(xiàn)PGA被動(dòng)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行重配置，此時(shí)的配置模式是上文提到的基于JTAG的被動(dòng)配置。此操作的結(jié)果是將FPGA配置為一個(gè)Flash的讀寫器。
2.配置完成后，上位機(jī)開始發(fā)送/接收Flash的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通道為JTAG。FPGA通過JTAG接收到數(shù)據(jù)之后，根據(jù)需求發(fā)起對Flash的讀寫操作，將需要更新的數(shù)據(jù)寫入Flash，完成更新。此過程是更新Flash的過程，燒錄過程中Flash只收到FPGA的控制。
3.Flash更新完畢后，在合適的時(shí)候讓FPGA進(jìn)行重新配置（例如重新上下電），F(xiàn)PGA會(huì)開始主動(dòng)配置過程，從Flash中讀取配置數(shù)據(jù)完成加載。

配置過程是將原廠提供的JTAG-Flash讀寫控制器加載到FPGA中，在通過JTAG和這個(gè)內(nèi)部的FPGA控制器燒錄Flash。這個(gè)JTAG-Flash讀寫控制器本身也是一個(gè)設(shè)計(jì)。Xilinx并沒有將這個(gè)設(shè)計(jì)獨(dú)立提供出來給用戶，不過Altera將這個(gè)設(shè)計(jì)以IP的方式提供給用戶使用。

上圖是串口Flash的讀寫控制器，在IP Catalog中還能找到Altera Parallel Flash Loader這個(gè)IP。這里僅以Altera Serial Flash Loader（下文簡稱ASFL）為例做簡單介紹。關(guān)于IP的具體細(xì)節(jié)，請參考IP的手冊。

將這個(gè)IP集成到FPGA工程中就可以直接使用。燒錄工具為Quartus Programmer，燒錄文件為.jic文件。

在燒錄的時(shí)候，點(diǎn)選jic文件，上一行會(huì)自動(dòng)勾選上，第一行也會(huì)變?yōu)镕actory default SFL image。此時(shí)即為下載內(nèi)置的鏡像，將FPGA配置為Flash讀寫控制器。如果將第一行勾選去掉，則工具會(huì)自動(dòng)嘗試在FPGA當(dāng)前設(shè)計(jì)中尋找ASFL IP。如果找不到，則直接提示錯(cuò)誤，不會(huì)做任何變化；如果找到ASFL IP，則利用JTAG進(jìn)行Flash的燒錄工作。這里重點(diǎn)提示，使用這個(gè)方法的時(shí)候務(wù)必取消第一行自動(dòng)勾選上的Factory default SFL image。

這種用法的最大限制在于需要使用Quartus Programmer工具和JTAG。如果有條件，在環(huán)境中擁有Quartus支持的OS系統(tǒng)和JTAG Cable的硬件連接，則可以使用這個(gè)方案。由于有OS的存在，鏡像Jic文件可以通過OS來管理文件的傳輸，再通過遠(yuǎn)程訪問OS，啟動(dòng)Quartus Programmer，燒錄Jic文件。

但是，對于某些環(huán)境，OS和JTAG是無法獲取的。所以還需要另一個(gè)方案來適配更多的應(yīng)用場景。

方案二：Flash讀寫控制器

方案一的IP結(jié)合了JTAG和FLASH讀寫控制器，數(shù)據(jù)通路固定是JTAG。而Altera ASMI Parallel（下文簡稱ASMI)這個(gè)IP就僅僅是個(gè)Flash讀寫控制器，可以自由的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)來源。

關(guān)于這個(gè)IP的使用，可以參考IP的文檔。需要進(jìn)行相關(guān)信號(hào)控制來控制IP的行為。這里對這個(gè)IP的使用不進(jìn)行詳細(xì)的描述。

這個(gè)方案的一個(gè)問題是，IP默認(rèn)只支持Intel（Alterad）的Flash，所以如果Flash是其它型號(hào)，則不能保證百分之百兼容。建議查看IP文檔，使用比較基礎(chǔ)的讀寫控制命令（通常性能差一些但兼容性好的命令）；同時(shí)在更換Flash之后，進(jìn)行測試看看是否兼容。

方案一的截圖中，有一個(gè)配置參數(shù)：

方案二的ASMI IP配置中，有一個(gè)配置參數(shù)：

勾選這兩個(gè)參數(shù)，可以讓兩個(gè)方案同時(shí)存在與一個(gè)FPGA設(shè)計(jì)中。這樣，可以更自由地選擇使用那個(gè)方案來進(jìn)行更新。由于Flash只有一個(gè)配置接口，所以兩個(gè)方案肯定是無法同時(shí)使用的。

Altera配置文件分析

方案一已經(jīng)是個(gè)完備的方案，無奈對使用環(huán)境有著較高的要求。所以方案二才是更通用的方法。不過相對方案一直接使用jic文件，方案二只是一個(gè)Flash讀寫控制器，并沒有說明將什么數(shù)據(jù)寫入Flash。所以需要找到寫入文件的數(shù)據(jù)。

Altera常見的幾個(gè)配置文件：sof/pof/jic/rbf

sof文件是最基本的文件，用這個(gè)文件作為基礎(chǔ)可以直接用Quartus Programmer進(jìn)行JTAG下載。同時(shí)也可以通過這個(gè)sof文件生成其它文件。

pof是針對altera Flash的配置文件器。需要用Quartus Programmer軟件，通過JTAG燒錄Flash。由于這個(gè)文件需要使用JTAG連接Flash，所以在很多環(huán)境下并不使用這個(gè)文件進(jìn)行配置。

jic是間接配置Flash的文件，具體使用已經(jīng)介紹過了。

rbf文件，從名稱看是二進(jìn)制文件，可能最接近寫入Flash的文件。

由于并沒有在Intel(Altera)網(wǎng)站上找到幾種配置文件的具體數(shù)據(jù)內(nèi)容和格式，所以需要手動(dòng)分析文件內(nèi)容。實(shí)際上這幾種格式?jīng)]有一種可以直接寫入Flash

這里已經(jīng)得到最終的數(shù)據(jù)文件，暫時(shí)稱之為bin文件，下面直接給出各個(gè)文件無法使用的原因。文件基于Altera A10系列FPGA。

1.sof

對比最終寫入Flash的數(shù)據(jù)，幾乎看不到正常的數(shù)據(jù)，懷疑是存在一些Quartus工具才能識(shí)別的命令。

2.pof文件

pof文件是針對Flash的，所以里面內(nèi)容和rbf文件有大部分都是相同的。

不過差別在于pof文件前面有大量的不明數(shù)據(jù)，不清楚具體作用，所以

左邊為rbf文件，右邊為pof文件

和正確的bin文件相比，pof前面的開頭部分確實(shí)也是多余的。所以rbf也比pof文件更接近于最終的bin文件。

3.rbf文件

rbf文件確實(shí)幾乎非常接近最終的文件。

左邊為bin文件，右邊為rbf文件

從文件格式中可以看到，數(shù)據(jù)可以對應(yīng)上，只是位序有點(diǎn)不同。

不過比較大的問題是，rbf文件的開頭相比bin文件，少了一些內(nèi)容。

左邊為bin文件開頭，右邊為rbf文件開頭

調(diào)整位序?qū)PGA開發(fā)來說，幾乎沒有難度。不過開頭這些數(shù)據(jù)的作用，就不太清楚了。如果有條件可以嘗試寫入rbf文件，試試FPGA能否從Flash中加載成功。本人嘗試過兩次，失敗后直接嘗試bin文件。對于rbf無法成功的原因，并沒有深究。所以失敗也有可能是操作失誤導(dǎo)致的，而rbf文件是可以這樣使用的。

4.jic

對比發(fā)現(xiàn)jic和pof文件的格式位序一樣，但開頭依然多出部分?jǐn)?shù)據(jù)。多出來的部分長度幾乎和pof文件一樣，但數(shù)據(jù)內(nèi)容由不完全相同，所以懷疑開頭部分包括了一些Quartus工具的操作命令，如果直接寫入Flash，可能會(huì)導(dǎo)致無法加載成功。

從上述分析可以看到，Quartus提供的四種配置文件，并沒有保證直接對應(yīng)Flash中的數(shù)據(jù)，對比后也發(fā)現(xiàn)多少都有點(diǎn)出入。由于沒有找到對各自文件詳細(xì)的內(nèi)容說明，所以也不便于直接修改。

所以這就是使用ASMI方案的最大問題，如何獲取最終的寫入Flash的數(shù)據(jù)。

從這一點(diǎn)說，Xilinx的方案其實(shí)更直接，直接使用原始的二進(jìn)制數(shù)（bit、bin)文件，或者標(biāo)準(zhǔn)文件——MCS。

Flash標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容文件

Xilinx的MCS文件，后綴mcs是Xilinx獨(dú)有的，但是其內(nèi)容是標(biāo)準(zhǔn)格式。

MCS為文本文件，查看內(nèi)容，可以看到兩種內(nèi)容。第一種是相對較短的一行，第二種是相對較長的一行。

真實(shí)數(shù)據(jù)是保存在較長的一行。分析后可以看到較長行的長度都是一樣的。具體內(nèi)容是，前端若干位是控制符（包含地址），然后是具體數(shù)據(jù)，之后是校驗(yàn)碼。找到規(guī)律后，就可以直接提取其中內(nèi)容了。

Quartus中沒有直接提供這個(gè)格式的文件，不過Quartus下用于Nios2開發(fā)的套件（nios2eda）中，有一個(gè)小工具：sof2flash

在Nios2 Shell中啟動(dòng)這個(gè)工具，可以將sof文件轉(zhuǎn)為.flash文件。查看這個(gè).flash工具，就能發(fā)現(xiàn)這個(gè)文件的語法結(jié)構(gòu)和MCS文件一樣。

那么后面的事情就很容量了，用腳本語言（Python）寫一個(gè)轉(zhuǎn)換工具，生成一個(gè)文件，后綴名可以隨意?。ū救耸褂?bin這個(gè)后綴)。將這個(gè)文件以二進(jìn)制形式讀取，直接傳給ASMI IP寫入Flash，從實(shí)際效果看，沒有任何問題，F(xiàn)PGA順利從Flash啟動(dòng)。

這里要感謝：武漢芯路恒科技有限公司的小梅哥。當(dāng)初是小梅哥的提點(diǎn)，才知道有.flash這個(gè)文件的存在。

這個(gè)方法算是另辟路徑，用不是很正式的方法將sof文件轉(zhuǎn)為了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Flash內(nèi)容描述格式。本人使用的是這種格式。不過，從道理上分析，Altera應(yīng)該是提供了正確的配置文件。

通過朋友向Altera技術(shù)支持打聽，得到一個(gè)方案，這里云分析一下。先給出結(jié)論：這個(gè)方案應(yīng)該是可行的。

通過Quartus提供的文件轉(zhuǎn)換工具，可以將sof轉(zhuǎn)為pof文件。這一步上文已經(jīng)做了分析，pof并不是直接寫入Flash中的文件。

再一次使用文件轉(zhuǎn)換工具，利用pof文件，轉(zhuǎn)為rpd文件。這個(gè)rpd文件，就是需要使用的文件。

分析一下rpd文件和.flash文件中的內(nèi)容

左邊為.flash文件內(nèi)容，右邊為.rpd文件內(nèi)容

從開頭部分就可以看出，數(shù)據(jù)是有明顯的對應(yīng)關(guān)系，56565656調(diào)整位序后就可以得到6a6a6a6a。第10行的20000000和04000000也能看出對應(yīng)的關(guān)系。

從這個(gè)結(jié)果可以看到.rpd的數(shù)據(jù)是可以使用的，只是在位序方面需要做一些調(diào)整。

這一還有一些地方需要討論，就是文件大小。

sof文件代表FPGA的配置文件，F(xiàn)PGA的配置文件都是和FPGA的型號(hào)相關(guān)。與Xilinx不同，Altera的sof文件似乎無論是否打開壓縮，均不會(huì)改變文件大小。

bin文件是從.flash文件中提取的，.flash是從sof中提取的。所以bin文件包含的是完整的配置信息。實(shí)際使用中可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)bin文件的大小會(huì)比sof文件小一些。而.flash文件由于是文本格式，所以無法比較大小。

jic、pof和rpd文件，這三個(gè)文件是針對Flash的，所以這三個(gè)文件的大小是依據(jù)Flash而變化的。使用中可以發(fā)現(xiàn)這三個(gè)文件其實(shí)比sof/bin文件大很多。但這三個(gè)文件幾乎是一樣大小的。

用一個(gè)例子來說明，假設(shè)sof文件是20MB，F(xiàn)lash是128MB。那么bin文件代表sof文件中有效內(nèi)容，可能是16MB，而由于Flash固定是128MB，則jic/pof/rpd三個(gè)文件都幾乎是128MB大小，其中只有開頭的16MB是有效內(nèi)容，后面的數(shù)據(jù)基本為填充的無效數(shù)據(jù)（或者在生成時(shí)添加了其他數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)）

這里有一個(gè)例子，rpd文件，二進(jìn)制用文本展開，32bit一組用8位16進(jìn)制數(shù)表示，一共33554432組，其中ffffffff占了22578142，可以看到幾乎大部分都是無效的flash初始數(shù)據(jù)。

33554432*32bit / 1024/1024 / 8 = 128MB

這個(gè)128MB的Flash，大概三分之二都是無用的Flash數(shù)據(jù)。

這可以側(cè)面驗(yàn)證，jic/pof/rpd文件雖然很大，但其中有效數(shù)據(jù)并沒有很多。

所以，如果只有一個(gè)鏡像的遠(yuǎn)程更新，那么bin文件其實(shí)是很方便的，但生成的方法會(huì)麻煩一些。如果直接使用rpd文件，代價(jià)是要么寫入大量無用數(shù)據(jù)，要么確認(rèn)一下有效數(shù)據(jù)的結(jié)尾，來避免大量無效數(shù)據(jù)的寫入。

至此，Altera平臺(tái)遠(yuǎn)程更新設(shè)計(jì)中Flash讀寫控制器的方案，已經(jīng)都做了粗淺的介紹。

編輯：黃飛

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